Dans une percée scientifique majeure, des chimistes du Département de l’énergie du Laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL) ont mis au point un matériau en carbone pour supercondensateurs, surpassant de quatre fois les capacités de stockage d’énergie des meilleurs matériaux commerciaux actuels. Cette découverte, qui pourrait révolutionner les technologies de freinage régénératif, d’électronique de puissance et de fourniture d’énergie auxiliaire, est le fruit d’une approche innovante combinant l’apprentissage machine et l’expertise scientifique

Le matériau, un carbone poreux co-dopé à l’oxygène et à l’azote, a été conçu pour offrir une surface de réaction électrochimique interfaciale exceptionnelle. Le chimiste Tao Wang de l’ORNL et de l’Université du Tennessee, Knoxville, principal auteur de l’étude publiée dans Nature Communications, souligne l’importance de cette méthode orientée par les données. Le co-concepteur de l’expérience, Sheng Dai, évoque cette avancée comme un jalon significatif dans le domaine des supercondensateurs.

Leur étude, menée au Centre FIRST, un partenariat entre plusieurs laboratoires et universités, s’est concentrée sur l’analyse des réactions aux interfaces solide-liquide cruciales pour le stockage d’énergie électrique capacitive. Les supercondensateurs, contrairement aux batteries traditionnelles, stockent l’énergie sous forme de champ électrique, offrant une recharge rapide.

Les chercheurs ont utilisé l’apprentissage machine pour guider la découverte de ce matériau. Un réseau de neurones artificiels, développé par Runtong Pan, Musen Zhou et Jianzhong Wu de l’Université de Californie à Riverside, a permis de prédire la capacité maximale de stockage d’un électrode en carbone. Le matériau synthétisé par Wang et Dai a démontré une capacité de 611 farads par gramme, une surface de plus de 4000 mètres carrés par gramme, et une pseudocapacité significative due aux réactions d’oxydoréduction.

Pour atteindre ces performances, les scientifiques ont créé un matériau carboné extrêmement poreux, activé à l’aide d’un agent d’activation novateur mis au point par Dai. Ce processus, opérant à une température inférieure à celle utilisée industriellement, a permis de préserver les groupes fonctionnels essentiels au stockage d’énergie.

L’étude a également inclus des analyses approfondies des caractéristiques du matériau. Des techniques telles que la spectroscopie par électron de transmission et la diffusion quasi-élastique de neutrons ont été utilisées pour caractériser les pores et observer le transport des électrolytes à l’intérieur du matériau.

Cette avancée ouvre des perspectives passionnantes pour l’optimisation des matériaux carbonés destinés aux supercondensateurs. Tao Wang envisage d’utiliser encore plus de données pour repousser les limites de ces technologies, confirmant ainsi le rôle crucial des approches axées sur les données dans la conception de matériaux innovants.